Simcenter STAR-CCM+ Example of SPH method in STAR-CCM+ V2406

STAR-CCM+ V2402부터 Simcenter SPH Flow의 기능을 대부분 사용가능하게 embedded 되었으면, Multiphase > SPH 를 선택하여서 활성화되어진다. 

기존 Simcenter SPH Flow와 Simcenter STAR-CCM+내의 SPH method를 사용했을때의 setup 절차가 다르기에  본 예제는 STAR-CCM+내 SPH method를 쓰는 사용자에게 도움이 될 것이다. 

본 예제는 아래와 같이 기울어진 평판에 particle을 분사했을때 중력에 의해서 particle이 표면을 따라 흐르고 방해물체를 만났을때 흐름을 가시화하는 방법을 설명해준다. 

기본적인 Geometry구조는 아래 같으며, Injector를 통해서 나온 particle이 중력의 영향과 Cylinder로 명명된 방해물체에 의해 어떤 흐름의 변화를 가지는지를 보고자 한다. 하부 plate는 30도로 기울어져있다. 

위 Parts를 Region으로 assign 해줘야 하며, 이는 Cylinder, Housing, Injector, Plate를 모두 선택하고 마우스 오른쪽 메뉴를 눌러서, Assign Parts to Regions를 선택한 다음 Create One Region for All Parts, Create a Boundary for Each Part Surface를 선택하면 가장 오른쪽 그림과 같이 Region이 만들어진다. 

Assign Region이 완료되었으면, Physics를 선택해줘야 하며, Continua > New Physics Continuum > Model > Select Model를 선택후, 아래 항목을 선택한다. 

• Three Dimensional
• Implicit Unsteady
• Muliphase > SPH 
• Laminar 
• Gravity
• Particle Remediation

위 선택을 하면 Adaptive Time-Step, Incompressible Flow(ISPH), Solution Interpolation, Multiphase Interaction은 자동으로 선택되어진다. 

생성된 Physics 1의 이름을 Oil Continuum 으로 변경하고, 필요한 물성을 아래와 같이 선택/입력해준다.

• Oil Continuum > Multiphase > Phases에서 마우스 오른쪽 클릭 후, New 선택
• 생성된 Phase 1의이름을 Oil로 변경하고, Models > Selelct Models.. > Liquid 선택
• 생성된 Liquid phase의 Density와 Dynamic Viscosity의 물성값을 입력

Physics 메뉴에서 Particle Remediation 트리에서 Enable Position-Based Removal을 체크 해준다. 

SPH Flow는 outlet조건이 없으므로, Particle Remediation에서 적절한 설정을 하지 않으면 해석도메인내에 particle수가 무한 증가되게 되므로, Particle Remediation에서 필요한 조건을 선택해서 관심영역 밖에 있는 particle에 대한 처리를 해줘야 한다. Enable Position-Base Removal은 이름 그대로, 특정한 위치/형상을 기반으로 하여 그 바깥 영역의 입자는 해석에서 배제하도록 하게 해준다. 

본 예제에서는 Bounded Shape라고 되어있는 part 내를 해석 영역으로 하였다. 

해석 안정성을 위해서, Adaptive Time-Step을 사용하며, 본 예제에서는 기본값을 사용한다. 

Physics > Models > Adaptive Time-Step > Time-Step Provider 에서 마우스 오른쪽 누른 후 , New > Convective CFL 및 Gravity CFL 2개를 차례로 선택해준다. 

Region의 Physics Continuum을 선택하지 않았으므로, 위에서 생성한 Physics인 Oil Continuum을 선택해준다. 

Region에 SPH methodl를 사용하도록 설정이 되었으면, Region 세부 메뉴에서 Boundary Normal을 설정해줘야 한다. 

Housing 등과 같이 설정된 closed surface인 경우, 내부 방향이 boundary normal 방향이 되며, 이 경우 파티클은 outside 방향이 되기때문에, Housing 내부로 하기 위해서는 normal 방향을 inside로 향하게 해줘야 한다. 

위 설정을 하기 위해서 우선, parts를 그룹화해서 boundary normal Region의 Properties 창에서 Allow Per-Part Values를 체크해줘서 Part Subgrouping 트리가 Region 하위에 생성되도록 해줘야 한다. 

이후, Part Subgroupings > Subgrouping 1을 그림과 같이 Housing, Injector, Plate 를 각각 설정해준다. 

위에서 grouping 한 부분을 Physics Values > Part Orientation 에서 실제 방향을 설정해준다. 

Housing 부분만 Reverse Orientation 체크를 선택하여 방향을 전환해준다. 

이제 Injector에서 나가는 particle의 사이즈를 설정해주기 위해서 Physics Values > Particle Base Size 에서 적절한 값을 입력한다. 

본 예제는 0.3mm 로 선택하였다. 

particle size를 지정하였으면,  particle 속도/유량을 입력해야한다. SPH method는 outlet 조건이 없이, Wall, Mass Flow Inlet, Velocity Inelt 3가지만 경계조건으로 선택가능하다.  본 예제에서는 Velocity Inlet을 선택하고 속도는 기본값 1.0m/s를 선택하였다. 

Region > Boundaries > Injector 에서 Type을 Velocity Inlet으로 선택해준다. 

이후, Stopping Criteria > Maximum Physics Time은 2초로 하고 Maximum Steps > Enabled는 체크해제해준다. 

Adaptive Time-Step이 적용되어서 기본으로 입력된  time step 0.001s를 기준으로 CFL 값을 계산하여 time step이 유동적으로 변하게 되는 것을 추후 실제로 해석을 수행하면 볼 수 있다. 

실제 해석을 하기 전에, 후처리를 보기 위해 particle velocity를 보기 위한 설정을 해보도록 한다. 

Scene 마우스 오른쪽 클릭 후, New Scene > Scalar 선택을 한 다음 아래와 같이 설정해준다. 

생성된 Scene 이름을 Oil Velocity로 변경하고, Outline 1 부분에는 Region의 Housing 을 제외한 boundary를 선택해주고, Opacity 0.1과 Surface를 체크해준다. 

Particle의 속도를 확인할 것이기에 Oil Velocity > Scalar 1 > Parts 에서 boundary는 선택하지 않고, region 부분만 선택해준다. 

Scalar Field > Function > Velocity : Magnitude를 선택하고, 기타 설정은 아래 그림과 같이 해준다. 

파일을 저장하고, 해석을 수행하면 아래와 같은 결과를 볼 수 있다. 

Injector를 나온 particle이 중력에 의해 휘어지고, 기울어진 판위를 흘러내리면서 원통형상의 방해물을 만나서 흐름이 바뀌는 것을 볼 수 있다.